利用嗜盐古菌Haloferax mediterranei在破裂多孔介质中进行微生物提高采油的实验研究

为何这些微小的嗜盐微生物关乎我们的能源未来

世界上剩余的大量石油被困在难以开采的岩石中，尤其是那些布满天然裂缝的油藏。常规方法已经挤出了大部分容易获取的油，但大量油仍然滞留在地下。本文研究了一种非常规的助力：一种名为Haloferax mediterranei的嗜盐微生物，它能在极少数生物可存活的环境中繁荣生长。通过精细调控向破裂岩层注入的微生物数量，研究者表明可以改变水流路径，释放部分被困油，并且这种方法依赖可生物降解的物质，潜在环境影响低于许多合成化学品。

破裂岩石与被遗漏的石油

由碳酸盐岩（如石灰岩和白云石）构成的油藏常含有复杂交错的裂缝网络。当工程师向这些地层注水以驱赶油到生产井时，水往往沿着开放的裂缝快速流动，绕过更为致密的岩石基质，而大量油就被困在基质中。因此，即便经过初级和次级采收，原地油量仍有35–55%可能残留。化学方法能有所帮助，但高盐度、高温度以及人工聚合物和表面活性剂的成本与持久性限制了其适用性。微生物提高采油的思路不同：让微生物在最开放的流道内生长，部分堵塞这些“捷径”，迫使注入水去扫过周围的岩石。

为极端油田而生的微生物

Haloferax mediterranei属于一类能在极高盐度环境中繁衍的微生物群体，甚至能在盐度超过海水十倍并在升高温度下生长。不同于许多常见的油田细菌，它在这些苛刻条件下仍能继续生长并产生一种天然的类塑料物质。该物质为一种可生物降解的生物聚合物——聚羟基丁酸酯，能帮助微生物在岩石表面和裂缝中形成黏性的薄膜。这些生物膜足够强以缩小流道，但仍可保留小通道，从而有可能实现“恰到好处”的堵塞：既能将水引导到储油区域，又不会将其完全封死。

玻璃岩心模型与真实岩心测试

为观察实际效果，团队构建了透明玻璃“微模型”来模拟破裂多孔岩石。他们先用来自伊朗油田的原油淹没模型，然后注入含盐水，随后注入三种不同生物量的微生物溶液，最后再次注水。最清晰的结果出现在中等微生物浓度5.07克/升的条件下：生物膜主要在裂缝内生长，缩窄裂缝并将后续注水重新导入岩石基质。这种额外的扫替使微模型中的采油量相比单纯注水提高了原地油量的23个百分点。然而，当研究者将生物量加倍时，采收率急剧下降：更厚更密的生物膜不仅堵塞了裂缝，也堵住了通向基质的入口，减少了水驱动石油的空间。

从实验台到真实破裂岩心

科学家随后在经人工压裂的真实碳酸盐岩和白云石岩心上重复了该概念。注入微生物前，水在这些裂缝中流动非常畅通；微生物注入后，裂缝的渗透率下降了大约50–75%，表明生物膜成功限制了主要流路。当团队以最优生物量进行注油实验时，两块不同岩心在微生物处理后再注水阶段额外回收的油分别为原地油量的14%和12.6%。这些增益小于理想化玻璃模型中的结果——真实岩石更为粗糙和复杂——但仍相当可观，且与那些无法耐受极端盐度的其他微生物方法报道的改进相当。

寻找最佳平衡点

实验的一个关键教训是：更多微生物并不总是更好。在低生物量时，裂缝仍然过于通畅，水继续绕过基质。在非常高的生物量下，生物膜生长过于猛烈，以至于切断了裂缝与周围岩石之间的连通，导致石油被隔离。最佳结果出现在中等浓度：足够的微生物生长去缩小最大的裂缝并改写流动路径，但又不足以阻断进入含油岩石的通道。这种“选择性堵塞”行为——优先锁定最容易的流路——是微生物在裂缝中生长并沉积其聚合物的自然结果。

对未来石油生产的意义

对普通读者而言，结论是某些极端嗜好者微生物可以作为地下深处智能、自组织的流量调节器。通过选择合适剂量的Haloferax mediterranei，操作方可以让注入水更有效地工作，从顽固的破裂油藏中扫出更多石油，同时依赖在极端盐度和温度下仍能发挥作用的可生物降解材料。该研究并未解决晚期采油的所有挑战，也不替代远离化石燃料的长期转型需求。但它展示了如何利用生物学来提高既有油藏的效率，可能减少新钻探的需求，从已开发油田中榨取更多能量。

引用: Eslam, B.Z., Hashemi, R., Khaz’ali, A.R. et al. Experimental study of microbial enhanced oil recovery in fractured porous media using the halophilic bacterium Haloferax mediterranei. Sci Rep 16, 7452 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38949-y

关键词: 微生物提高采油, 断裂油藏, Haloferax mediterranei, 生物膜堵塞, 高盐油田